某煤矿井下采区供电系统设计煤矿井下采区电气设备安全运行毕业设计说明书.docx
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某煤矿井下采区供电系统设计煤矿井下采区电气设备安全运行毕业设计说明书
摘要
本设计初步设计了煤矿地面35kV变电站的设计。
其设计过程主要包括负荷计算、主接线设计、短路计算、电气设备选择、继电保护方案、变电所的防雷保护与接地等。
通过对煤矿35KV变电站做负荷统计,用需用系数法进行负荷计算,根据负荷计算的结果确定出该站主变压器的台数、容量及型号。
用标幺值法对供电系统进行了短路电流计算,为电气设备的选择及校验提供了数据。
根据煤矿供电系统的特点,制定了矿井变电所的主结线方式、运行方式、继电保护方案。
其中35KV侧为全桥接线,6KV主接线为单母分段。
两台主变压器采用分列运行方式。
并根据电流整定值以及相关数据的校验,选择了断路器、隔离开关、继电器、变压器等电气设备。
关键字:
负荷计算;变电站;继电保护;运行方式
Abstract
Thedesignofthepreliminarydesignofminesurfacesubstationdesign35kV.Thedesignprocessmainlyincludestheloadcalculation,themainwiringdesign,short-circuitcalculation,equipmentselection,theschemesofrelayprotection,substationlightningprotectionandgrounding.Theminethrough35KVsubstationloadstatistics,withtherequiredcoefficientofloadcalculation,accordingtotheloadcalculationresultsidentifythestation,thenumberofmaintransformercapacityandmodels.Useofper-unitvaluemethodofpowersupplysystemforshort-circuitcurrentcalculation,forelectricalequipmentselectionandvalidationprovidesdata.Accordingtothecharacteristicsofcoalminepowersupplysystem,developedminesubstationmainwiringmode,operationmode,relayprotectionscheme.The35KVsideforthewholebridgeconnection,6KVmainconnectiontosingleparentsegment.Twomaintransformerinoperation.Accordingtothecurrentsettingvalueandassociateddatacheck,choiceofcircuitbreaker,isolatingswitch,relays,transformersandotherelectricalequipment.
Keywords:
Loadcalculation;Transformersubstation;Relayprotection;Operationmode
1绪论
1.1某煤矿采区原始资料:
井田设计能力60万吨/年。
井田内布置方式:
采区式,运输大巷底板岩巷。
矿井瓦斯等级:
低等级。
采区煤层倾角:
18°─32°/26°
设计煤层:
K2=1.76-2.15m/2.15m。
采区各用电设备容量、规格见采区负荷一览表。
采区变电所位置已定(设计时在理论上阐述如何确定变电所位置)。
各用电设备至采区变电所距离(巷道长度)见采区巷道长度表。
负荷统计采用需用系数法,需用系数取0.92、加权平均功率因数取0.65
井下中央变电所短路容量为50MVA.井下中央变电所至采区供电电缆型号为ZLQ20-3x35,电压等级6KV,长度800m
1.2采区机电负荷一览表:
序号
设备名称
设备型号
数量
(台)
电动机
安装地点
备注
功率KW
电压V
1
滚筒式采煤机
MG300-W
1
2X300
1140
工作面
2
刮板运输机
SGZ-730/264
1
2X132
1140
工作面
3
破碎机
PEM-980×85
1
85
660
顺槽
4
转载机
ZYC-28
1
132
660
顺槽
5
带式输送机
SDZ-150
1
150
660
顺槽
6
带式输送机
SD-80X
1
160
660
上山
7
乳化液泵
MRB-125/32
1套
90
1140
顺槽
8
喷雾泵
XPB-250/55
1套
30
1140
顺槽
9
液压安全绞车
XAJ-22
1
22
660
顺槽
10
矿用防爆变压器
KBSG-400/10/0.69
1
660
变电所
400KVA
1.3采区巷道长度:
序号
地点
巷道长度(m)
供电设备
选取电缆长度(m)
电压
备注
1
Z1
180
采煤机
2
Z2
185
刮板运输机
3
Z3
25
乳化液泵
4
Z4
55
喷雾泵
5
Z5
35
破碎机
6
Z6
65
转载机
7
Z7
90
带式输送机
8
Z8
1050
带式输送机
9
Z9
180
液压安全绞车
10
G1
120
干线电缆(Z1、Z2)
11
G2
85
干线电缆(Z3、Z4、Z5、Z6)
12
G3
150
干线电缆(Z7、Z8、Z9)
注:
Z1-Z9为支线电缆,G1—G3为干线电缆
1.4采区供电系统示意图
2.矿用电气设备的选择策略
矿用电气设备的正确选择是保证矿井安全生产的重要一环,该文阐明了对煤矿井下电气设备的结构要求,论述了井下电气设备的防爆原理及矿用电气设备的类型,针对煤矿井下环境,说明了矿用电气设备的选用。
关键词
2.1煤矿电气设备防爆类型
2.1.1对矿用电气设备的结构要求
由于煤矿井下的空气中含有瓦斯气体和煤尘,有爆炸的危险,矿用电气设备必须具有防爆性能。
井下巷道、硐室和工作面空间狭小,为搬迁设备方便,要求矿用电气设备体积小,重量轻。
井下存在冒顶、片帮、滴水及淋水等现象,所以矿用电气设备的外壳要有足够的机械强度和较好的防潮、防锈性能。
井下电气设备起动频繁,负载变化较大,设备易过载,因此要求矿用电气设备应有较大的过载能力。
井下空气潮湿,易触电,故矿用电气设备外壳应封闭良好,有机械、电气闭锁及专用接地螺丝;对煤电钻、照明信号及控制电器采用127V及36V低压,以降低触电危害程度。
2.2井下电气设备防爆原理
2.2.1隔爆外壳
隔爆型电气设备必须具有隔爆外壳,即当壳内发生爆炸时,绝不会引起壳外的可燃性混合物燃烧和爆炸,同时外壳也不会破裂或变形,即外壳必须具有耐爆
和隔爆性能。
为了实现外壳隔爆,要求外壳各部件之间的隔爆
接合面和隔爆面间隙必须符合一定的要求。
这样当壳内发生爆炸时,隔爆面越长,传爆的可能性就越小;隔爆面间隙越小,穿过间隙的爆炸生成物能量就越少,隔爆能力就越强。
2.2.2本质安全型电路
本质安全型电路(亦称安全火花型电路)是指电气系统或设备在正常工作或规定的故障状态下,产生的火花和火花效应均不能点燃瓦斯和煤尘。
实验证明,当瓦斯在空气中的浓度为8.2~8.5%时,最容易发生爆炸,其所需要的最小能量为0.28MJ以下。
因此选择电路参数或采取一定的保护措施,把火花能量限制在0.28MJ以下。
电火花分为电阻性、电容性和电感性三种,纯电阻电路,火花的能量取决于电压和电流;电感电路主要取决于电流和电感;电容电路主要取决于电压和电容。
电火花能量是决定能否点燃瓦斯的主要参数,因此在设计本质安全型电路时,必须限制电火花能量。
其方法主要有:
1合理选择电气元件,尽量降低电源电压。
2增大电路中的电阻或利用导线电阻来限制电路中的故障电流。
3采取消能措施,消耗或衰减电感元件或电容元件中的能量。
本质安全型电路是低电压小电流电路,所以只适用于矿井通讯、信号、测量和控制等电路。
本质安全型设备可不要隔爆外壳,因而具有体积小、重量轻、安全可靠等优点。
2.2.3超前切断电源和采用快速断电系统
当电气设备出现故障时,在可能点燃之前,利用自动断电装置将电源切断。
快速断电系统的工作原理是,电火花点燃瓦斯和煤尘需要一定的时间,长短因电路参数和故障原因不同而异,但最短不大于5ms。
如果故障切断时间少于5ms,则无论电缆受何损伤,其电火花均不能点燃瓦斯和煤尘。
一般快速断电系统的切断时间为2.5~3ms。
2.3矿用电气设备的类型
2.3.1矿用一般型
矿用一般型电气设备的标志符号为KY,它与普通的设备相比有以下特点:
1外壳机械强度较高,防滴防溅;
2绝缘材料耐潮性好;
3引入电缆的接线端子有一定的空气间隙和漏电距离的要求;
4接线盒的内壁和可能产生火花的金属外壳内壁均匀地涂上一层耐弧漆。
矿用一般型电气设备是非防爆设备,只能用于无瓦斯和煤尘爆炸危险的场所。
2.3.2矿用防爆型
矿用防爆型电气设备的外壳上和铭牌上都标有标志。
它分以下几种:
电器的常闭触头串入交流接触器线圈回路中,如电源或定子绕组有一相断路时,即能自动切断电动机电源。
2.4各种电压不合格情况
2.4.1外接电源电压过高或过低
三相电压过高或过低都会引起电机过热。
当电压过高时,电机的绕组电流就增大,使绕组温升超过容许值而绝缘损坏后就起火;如电压过低,使电机的转速和定子绕组的阻抗都下降而电流增大,因过热烤焦绝缘材料后而起火。
当电压过高时,则需将三相式热继电器调节到较高的数值;当电压过低时,可用交流接触器、三相式热继电器等组合装置来保护电机,或者直接安装一个电机综合保护器,可实现缺相、过载、过流等保护。
2.4.2三相电压不平衡
电压不平衡一般是电网原因引起。
若加在电机上的三相电压不对称,则运行中的电动机各种损耗就增大,会引起电动机的额外发热。
一般要求三相电压之间的差数不超过5%,在这样的条件下,电机才能在额定功率下维持长期运行。
三相安压如发现严重不平衡时,可先确定是否三相母线上装有过多的单相大功率用电设备,如有要根据情况进行处理。
为保护电机的安全运行,可在三相馈线中安装断路器、三相式热继电器和交流接触器等组合装置,或安装电机综合保护器。
2.4.3电动机负载太大
为防止电动机超负荷使用,应采取如下保护方式:
严格按照设备铭牌额定功率选配电机;
在电机馈线中配装三相式热继电器、交流接触器和断路器等组合装置,作为电动机的过载保护。
2.4.4运行环境不良
电动机运行环境温度高、存在易燃易爆气体(如烤漆房)、电机周围有可燃物等,也是造成火灾的重要因
素。
加强通风,及时清理电动机周围的可燃物,尽可能优化运行环境。
2.5其他注意事项
1必须根据实际工作环境和使用特点,选用功率和防护类型合适的电动机。
比如矿井井下要使用隔爆式电动机。
2电动机修理后,特别是委托修理的,要使用摇表等工具进行严格检测,在安装前要进行试用,完全正常时方可使用。
3在运行现场必须配备消防沙,灭火器要选用干
粉式或二氧化碳型灭火器,不可使用泡沫型。
4选用合适的保护装置和起动器,并安装到不易燃材料的基座上,确保操作方便、安全耐用。
5加强设备巡查,及时发现电动机的异常情况,绝不能让设备带病作业;制定设备维护保养制度并严格执行。
6优化设备运行环境,包括降低环境温度(最好低于40)、及时清理现场易燃物品及杂物、加强通风等。
2.6各种电器设备
1增安型电气设备(ExeI)。
增安型设备在正常运行时不会产生电弧、火花或可能点燃爆炸性混合物的高温,它不采用隔爆外壳,只是采取适当措施(包括加强绝缘、增大电气间隙和漏电距离)以提高安全程度。
其标志符号为e。
2防爆型电气设备(ExdI)。
防爆型电气设备是具有防爆外壳的电气设备,标志符号为d。
这种设备将可能产生电火花和电弧的元件放在外壳中,使其与外界环境隔离。
3本质安全型电气设备(ExiaI或ExibI)。
本质安全型电气设备的全部电路均为本质安全电路,即在规定的试验条件下,正常工作或在规定的故障条件下,所产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。
其标志符号为I(本质安全型又分为a和b两个等级,a等级的安全程度高于b级)。
4隔爆兼本质安全型电气设备(ExdiaI或ExdibI)。
这种设备是隔爆型与本安型号的组合,它的非本安电路部分置于隔爆外壳中。
其标志符号为di。
此外,矿用防爆设备的类型还包括矿用充油型电气设备(ExoI)、矿用无火花型电气设备(ExnI)、矿用浇封型电气设备(ExmI)等。
2.7矿用电气设备的选用
在井下选择电气设备的类型时,应严格按照《煤矿安全规程》的有关规定选择。
各类矿用电气设备的使用场所使用场所类别高低压电机和电气设备照明灯具通信、自动装置和仪表、仪器煤(岩)与瓦斯突出矿井和瓦斯喷出区域矿用防爆型(矿用增安型除外)矿用防爆型(矿用增安型除外)矿用防爆型(矿用增安型除外)瓦斯矿井井底车场、总进风巷或主要进风巷低瓦斯矿井矿用一般型矿用一般型矿用一般型高瓦斯矿井矿用一般型矿用防爆型矿用防爆型翻车机硐室矿用防爆型矿用防爆型矿用防爆型采区进风道矿用防爆型矿用防爆型矿用防爆型总回风道、主要回风道、采区回风道、工作面和工作面进风、回风道矿用防爆型(矿用增安型除外)矿用防爆型(矿用增安型除外)矿用防爆型(矿用增安型除外)。
3采区低压供电网络的计算
3.1供电系统的确定:
确定原则:
采区供电系统是根据采区机械设备布置图拟定的,应符合安全、经济、操作可靠、保护齐全、便于捡修等项要求。
其原则如下:
1.保证供电可靠,力求减少使用开关、起动器、使用电缆的数量应最少,原则上一台起动器控制一台设备。
2.采区变电所动力变压器超过一台以上时,应合理分配变压器负荷,通常一台变压器负担一个工作面用电设备。
3.变压器最好不并联运行。
4.配电点电气保护设备应齐全、灵敏可靠,分断能力满足负荷要求。
5.工作面配电点最大容量电动机用的起动器应靠近配电点进线以减小起动器之间连接电缆的截面。
6.供电系统尽量减少回头供电,系统设置要合理。
7.本设计根据供电系统的拟定原则和设备布置图的特点,采用干线式供电。
3.2本系统用电设备负荷例表计算:
地点
机组
设备
名称
设备组号
系数
额定功率
额定电压
效率
cosφ
第一电变电所
水泵
压风机
150D-30×5
MVF-10/7
2
2
110KW×2
55KW×2
0.69V
0.69V
0.89
0.89
0.86
0.86
第二变电所
201
风机
DBKJ-11
1
11KW
0.69V
0.89
0.86
第三变电所
202
风机
DBKJ-11
1
11KW
0.69V
0.89
0.86
合计
6
352KW
3.3供电设备的选择及校验
变压器容量、台数、型号的确定
3.3.1变压器容量计算
依据公式:
SB=∑PC·KX/cosΦdi(2-1)
式中:
SB——变压器的计算需用容量KVA
∑PC——连接到变压器总计用电设备的额定容量KW
KX——需用系数:
查负荷计算所用系数表KX=0.4
cosΦdi——加权平均功率因数,查负荷计算所用系数表cosΦdi=0.6(掘进工作面)
代入得:
SB=352×0.4/0.6=234.67KW
3.3.2变压器的选择:
根据计算结果,选用一台KS9-250KVA/6KV或SC8-260/6矿用隔爆型变压器便能满足要求。
但现有一台KS9-315KVA/6KV矿用隔爆型变压器正在使用,所以不在改用变压器。
3.3.3变压器的主要技术参数:
变压器
型号
容量
KVA
额定电压KV
额定电流
A
损耗W
阻抗电压U1%
空载电压U2%
连接组标志
高压
低压
高压
低压
空载
短路
KS9-315/6
315
6
0.69
30.8
260
1600
6070
4.09
1.9
Y/Y-12
3.4低压电缆的选择:
3.4.1选择原则:
选择电缆型号要符合《煤矿安全规程》规定。
在正常工作时,电缆芯线的实际温升不得超过绝缘所允许的最高温升,为此,流过芯线的实际最大长时工作电流小于或等于所允许的负荷电流(橡套电缆允许温升是65℃,铠装电缆允许温升是80℃);
正常时电缆网络的实际电压损失不得大于网络所允许的电压损失,
电缆的机械强度必须满足要求,对于干线电缆,必须首先按长期允许电流选择,然后再按允许电压损失计算校验电缆截面;
对于低压电缆,由于低压网络短路电流较小,按上述方法选择的电缆截面热稳定性和电动力稳定性均能满足要求,因此,不必再进行短路时的热稳定校验。
3.4.2电缆型号的确定:
干线电缆采用不延燃橡套电缆;
移动式和手动式电气设备使用专用的不延燃橡套电缆;
固定敷设的照明、通讯、信号和控制用的电缆,为不延燃橡套电缆或矿用塑料电缆,非固定敷设的采用不延燃橡套电缆。
3.4.3电缆长度的确定:
根据拟定的供电系统,确定系统中各段的电缆长度。
在确定电缆长度时,固定橡套电缆按10%余量考虑;铠装电缆按5%余量考虑;移动设备用的橡套电缆的长度,除应按实际使用长度选取外,必须增加一段机头部分的活动长度,约3~5米左右。
3.4.4电缆截面的确定
1电缆的正常工作负荷电流必须等于或小于电缆持续电流;
2正常运行时,电动机的端电压不低于额定电压的5%~10%;
3电缆末端的最小两相短路电流大于馈电开关整定电流的1.5倍;
对橡套电缆需要考虑电缆机械强度要求的最小截面。
3.4.5电缆芯线数的确定
1动力用橡套电缆选用四芯;
2当控制按钮不装在工作机械上,采用四芯电缆;
3橡套电缆的接地芯线,除用作监测接地回路外,不得兼作其他用途。
3.4.6电缆截面选择计算
1按持续允许电流选择电缆的截面。
a.矿用橡套电缆载流量如下表
主芯线截面mm2
4
6
10
16
25
35
50
70
长期允许电流A
36
46
64
85
113
138
173
215
b.电动机供电电流计算:
向单台或两台电动机供电的电流计算,其实际工作电流可取电动机额定电流或两台电动机额定电流之和;向三台或三台以上电动机供电时,其干线电缆的工作电流应根据这些电动机的计算容量来求得电缆的工作电流,计算公式如下:
Ig=ΣPe·Kx·103/31/2cosΦdiUe
式中:
Ig—干线电缆的工作电流A
ΣPe—配电点供电的电动机额定功率之和352kw
Kx—需用系数,取0.4
Ue—电网额定线电压V,Uc=660V
cosΦdi—电动机的加权平均功率因数0.6
代入:
Ig=352×0.4×1000/660×0.6×
=205.29A
c.动力电缆截面的选择:
上述计算结果也是流过1号线的实际工作电流。
为满足两相短路电流继电保护的要求,选用U3×70+1×16规格的橡套电缆即为合格。
同理流过2、3、4号线的实际工作电流分别为22×0.583=12.83A、330×0.583=192.46A;12.83A,根据计算结果,为满足两相短路电流继电器保护的要求分别选用3×35+1×10、U3×70+1×16、U3×35+1×10规格的橡套电缆即为合格。
d.电器设备负荷线电缆的选择:
①流过5号线、6号线的实际工作电流为Ig=11×1.15=12.65A,根据计算结果按机械强度选用U3×16+1×8规格的橡套电缆,满足允许电流的要求
同理7、8号线选用U3×35+1×10、U3×16+1×8规格的橡套电缆满足持续允许电流的要求。
2按运行时的电压损失确定电缆截面:
电压损失有三部分组成,即变压器的电压损失ΔUb,干线电线的电压损失ΔUc,支线电缆的电压损失ΔUz。
电压总损失:
ΣΔU=ΔUb+ΔUc+ΔUz,
660伏供电系统中允许电压损失:
ΔUy=Ube-Udy=690-660×0.95=63V
a.变压器的电压损失计算:
ΔUb(%)=SB/Se(URcosΦdi+UxsinΦdi)(%)
式中:
ΔUb—变压器的计算容量,SB=234.67KVA;
Se—变压器的二次额定容量,Se=315KVA;
Ube—变压器的二次电压,Ube=690V;
UR—变压器的电阻压降百分数查表UR=1.9;
Ux—变压器的阻抗压降百分数查表Ux=4.09,
当cosΦdi=0.6时,则sinΦdi=0.8,代入得:
ΔUb(%)=234.67/315(1.9×0.6+4.09×0.8)(%)
=0.745×(1.14+3.272)=3.3%
将变压器电压损失的百分数值化为电压损失ΔUb为
b.干线电缆中的电压损失值计算:
依据公式ΔUc=ΣPc·Kx·L·K(%)·Uc/100
式中ΔUc—主干线电缆电压损失V
ΣPc—配电点供电的电机额定功率之和,ΣPc=352KW
L—主干线电缆实际长度KM,L=0.015KM
Kx—需用系数,掘进工作面取Kx=0.4
K—每千瓦一公里负荷矩的电压损失系数,按选用电缆截面70mm2与网络额定电压Uc=660V,cosΦdi=0.6,查K=0.087,
代入得ΔUc=352×0.4×0.015×0.087×660/100
=1.213V
c.支线电缆中的电压损失计算:
依据公式ΔUz=ΣPz·Kx·L·K(%)·Uc/100
式中:
ΔUc—支线电缆电压损失V
Pz—支线电机实际功率之和,Pz=22KW
L—支线电缆长度,L=0.21KM
Kx—需用系数,掘进工作面取Kx=0.4
K—每千瓦一公里负荷矩的电压损失系数,按选用电缆截面35mm2与网络额定电压Uc=660V,cosΦdi=0.6,查K=0.155,
代入得ΔUz=22×0.4×0.021×0.155×660/100
=1.89V
d.供电系统的电压损失值计算:
按前述:
ΣΔU=ΔUb+ΔUc+ΔUz=22.68+1.213+1
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